暗物质粒子探测卫星关键分系统BGO量能器进展顺利

大亚湾反应堆中微子实验电子学与数据获取系统

我国在可编程逻辑器设计方面走在了世界前列。核探测与核电子学国家重点实验室副主任安琪说，这正是实验室科大部瞄准国家需求和学科发展方向，在核电子学方面重点部署前端电子学关键技术研究的一个缩影。

本世纪初，用可编程逻辑器件（FPGA）进行时间—数字变换电路（Time to Digital Conversion， 简称TDC）的设计在国内是一个完全探索性的课题，采用时间内插方法来提高其时间分辨精度更是空白。2003年，美国费米实验室的科学家提出了“级联链”思路，有效提高了时间分辨精度。

“有没有其他思路可以实现这一功能，甚至获得更高的时间测量精度？”核探测与核电子学国家重点实验室中国科学技术大学部（以下简称中国科大部）的科研人员通过不断摸索和钻研，首创“进位链”方法将时间分辨精度推向一个更高水平。

这项工作以取得“用新机制完成时间数据的高精度变换”的新技术获得国家发明专利，并已有3篇IEEE杂志论文和多篇SCI论文发表，获得国际广泛认可，成为国际上高精度FPGA TDC设计主流方法之一。

目前，该技术已成功应用于合肥微尺度物质科学国家实验室的量子通讯实验，且将应用在我国新一代宇宙线观测站LAHHSSO的“水契伦科夫探测器”中。

这一次，我国在FPGA TDC设计方面走在了世界前列。核探测与核电子学国家重点实验室（以下简称实验室）副主任安琪对《中国科学报》记者说，这正是实验室中国科大部瞄准国家需求和学科发展方向，在核电子学方面重点部署前端电子学关键技术研究的一个缩影。

前沿技术的探索阵地

“中国科大部的长处在于做一些探索性、前瞻性，甚至是一些有争议性的课题。”安琪说，这使得中国科大部得以在前沿技术和方法的基础研究课题中不断取得突破。

在本世纪要解答的基本科学问题中，“什么是暗物质”和“暗能量的性质是什么”名列第一和第二位。要解答这两个问题，空间暗物质探测的能力独特。而正是在这一前沿领域，实验室中国科大部与中科院紫金山天文台的合作已取得良好开端。

安琪介绍说，紫金山天文台研究员常进提出了空间暗物质探测计划，计划研制一个暗物质粒子探测器，用卫星送上太空进行暗物质研究。该项目得到了中国科学院（以下简称中科院）的大力支持，目前已列入中科院先导专项计划中。

“我们实验室承担了关键分系统BGO量能器的设计和制作，目前已成功转入初样研制阶段，进展顺利。”安琪说。

他进一步介绍，MRPC气体探测器是目前粒子物理实验广泛应用的新型气体探测器，中国科大近代物理系的老师们于十多年前率先在国内进行研究。其所研发的MRPC气体探测器成功应用在美国布鲁克海文实验室的STAR实验中，是国际重离子物理实验上的首次大规模使用。

最近，由中国科技大学李澄负责的国家基金重点项目“北京谱仪飞行时间探测器性能改进的MRPC技术研究”，则将MRPC技术应用于北京谱仪探测器（BESIII）的端盖飞行时间探测器的升级，使其性能大大提高。该项目已列入2013年中科院重大设备升级改造计划，目前工程正在顺利进行。兰州重离子加速器冷却储存环（CSR）外靶实验探测器系统的性能改进和升级也将采用这一技术。

中国科技大学教授韩良表示，中国科大以自由研究为导向，广泛参加国际合作，在跟踪专门领域的前沿技术方面，如新一代微结构气体探测器、高速波形采样技术和应用研究、正电子核谱学技术及其应用、中子成像、量子通讯与量子成像等新领域，都有深入的探索。

“这些自由探索与研究，为我们实验室承担国内、国际大科学工程项目，推动高新技术在国家建设与国民经济各领域的广泛应用，提供了物质基础与人才队伍保障。”韩良说。

另外，中国科大部结合多交叉学科的优势，在课题方向上还根据国家重大需求安排一些面向国民经济、工农业生产的项目。

安琪介绍说，对美国康菲公司渤海蓬莱19-3油田发生漏油事故进行勘探的物探设备——自主研制的海上高精度地震采集系统，正是来自于中国科大部宋克柱课题组与中海油合作的项目攻关。

“所系结合”提供大工程舞台

核探测与核电子学国家重点实验室由中国科学院高能物理研究所部（以下简称高能所部）和中国科大部共同组成，是郭沫若提出“全院办校、所系结合”的成功典范。

在安琪看来，高能所部和中国科大部各有特色、各有所长。

他表示，高能所是我国高能物理学科的领头羊，拥有国内最优秀的科学家队伍和研究环境，其将更多精力倾注于国家重大工程任务的攻坚和实施。

中国科大以学术环境宽松自由、开放灵活著称。通过所、系结合与重点实验室内部的精诚合作，中国科大部的工程设计和实施能力也得到显著提升，在我国大工程项目中不断大显身手，取得了不俗战绩。

北京谱仪工程就是写照。“在北京谱仪探测器和电子学硬件设计方面，中国科大部承担多项工作，比如飞行时间计数器等子探测器的研发设计等，为北京谱仪的成功建造作出重要贡献。”中国科技大学粒子科学技术中心主任赵政国说。

据统计，中国科大近代物理系相关学科有约60%的教师参与与高能所相关的大科学工程项目、“973”计划和国家自然科学基金的重大重点项目。

大科学呼唤高效协作

“高能物理的研究对象是大科学装置，合作是我们学科的本征态。没有合作，学科发展就无从谈起。”安琪指出。大科学装置的独特性，要求领域内研究人员都要有包容性和团队协作精神，而各方之间的高效协作交流也正成为学科和技术创新的必由之路。

2012年底，由中国科学技术大学牵头发起，高能所、理论物理所、清华、山大、上海交大、中国科学院大学、浙江大学、南开大学、南京大学等一系列成员参与的“基本粒子与相互作用协同创新中心”启动。

赵政国表示，协同创新中心作为高能物理学科高水平、高层次的学术交流基地，旨在凝聚各方力量，推动领域内各单位高效、高密度的协作交流，推动学科整体发展。

最近，来自协同创新中心各成员单位的50多位专家和学者会聚中国科大，畅谈高亮度τ-粲物理未来发展规划和面临的挑战与机遇，交流了在高亮度—粲物理方面的工作和思考，全面介绍了高亮度—粲物理的现状和发展。安琪表示，这堪称国内高能物理方面最高层面的研讨会。

赵政国指出，郭沫若提出的“全院办校、所系结合”办学方针，非常具有前瞻性。高能物理是研究物质深层次结构及其相互作用的前沿学科，它的研究方法已经渗透到自然科学研究的各个领域，这要求必须要协作创新。

“核探测与核电子学国家重点实验室首先是国家的，有着带动中国整个核探测与核电子学发展的使命。”赵政国说，“国内有相当一部分大学也在开展高能物理的研究，通过重点实验室的凝聚和带动作用，有助于提高我们整个国家的科研水平。”

“只有国内整个层面上队伍增强了，我们领域才能大力发展。”安琪说，2013年度重点实验室择优支持的4项对外开放课题，恰是有针对性地扶植有发展潜力的单位，通过项目协作和交流互访，进一步扩展高能领域的影响。

（原载于《中国科学报》 2013-07-30 第8版 平台）